[发明专利]一种应用于多声源环境的分频定位方法有效

专利信息
申请号: 201810004440.2 申请日: 2018-01-03
公开(公告)号: CN108375763B 公开(公告)日: 2021-08-20
发明(设计)人: 曲天书;吴玺宏;高山 申请(专利权)人: 北京大学
主分类号: G01S11/14 分类号: G01S11/14
代理公司: 北京君尚知识产权代理有限公司 11200 代理人: 司立彬
地址: 100871 北*** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 一种 应用于 声源 环境 分频 定位 方法
【说明书】:

发明公开了一种应用于多声源环境的分频定位方法。本方法为:利用麦克风阵列的传递函数,得到空间中各个方向、不同频段的方向矢量;对麦克风阵列记录时刻n时的空间信号进行分带处理,计算每一频段fi对应的协方差矩阵;对每一扫描频段对应的协方差矩阵进行特征值分解,得到一组相互正交的特征值和与之对应的特征向量;将最大特征值对应的特征向量作为信号空间,其余特征向量对应噪声空间;根据信号空间对应的特征值和噪声空间的噪声方差,估计每一扫描频段的信号能量;然后使用频段fi对应的噪声空间特征向量和方向矢量,计算频段fi的空间谱;用各扫描频段的信号能量为对应空间谱的权重,对各扫描频段的空间谱进行加权,得到定位结果。

技术领域

本发明属于阵列信号处理技术领域,具体涉及一种声源定位方法,尤其涉及一种多声源环境下的定位方法。

背景技术

由于到达人的双耳之间的声音信号存在时间差和强度差,我们的大脑能够利用这些差异,对接收的声音信号进行非精准定向。同样,我们也可以构建两个麦克风或是多个麦克风组成的麦克风阵列,通过分析不同麦克风信道接收的声音信号的时间,强度等信息,来计算声源的到达方向(DOA)。在最近的10多年时间,声源定向得到了广泛的应用,包括语音识别,语音信号处理,移动机器人,无人驾驶,声音信号增强,虚拟现实等多个方向。随着计算机技术以及麦克风阵列技术的发展,声源定位的研究得到了越来越多的重视。

当前基于麦克风阵列进行声源定位的方法主要分为三类,基于波束形成(BF)算法的定位技术,基于声达时间差(TDOA)的定位技术以及基于高分辨率的谱估计技术(MUSIC)。

波束形成又称为空域滤波,通过对阵列中各个麦克风接收到的信号进行滤波并加权求和来形成波束,找出空间各个方向信号能量最大值来进行定向。通道之间的权重可以麦克风阵列的结构来估计,波束成形的一种改进算法是运用传递函数来估计权重,同时利用了时间差和强度差信息,提高了定位准确率。波束成形算法需要对整个空间进行扫描,计算量较大。

基于声达时间差的定位技术在单声源计算模型中较为常见,常用的方法是运用互相关相位变换(GCC-PHAT)来计算麦克风两两之间的延时,之后运用阵列和声源的空间坐标关系来找出声源的位置。这种算法的计算量较小,较为适用于实时定位操作。但这种算法在应用于多声源定位时,因声源之间存在较大的相互影响,带来的误差较大。

高分辨率谱估计是一种具有高分辨率的定位方法,其中一种经典方法为MUSIC算法。其原理是对各路麦克风接收到的信号计算自相关,对自相关矩阵的特征值进行正交分解,得到信号子空间和噪声子空间,运用噪声子空间与波达方向矢量(VS)的正交关系来估计声源的方向。该方法既可以应用在单声源定位也可以应用在多声源定位。另外,该方法率突破了瑞利限的限制,具有很高的定位分辨率。但是在传统的MUSIC算法中,方向矢量(steering vector)通常使用声源到达麦克风的时间差来进行估计,这种方法忽略了传播过程中幅度的变化。此外,由于在声音定位的实际应用中,声信号通常具有谐频特性,例如发动机声音,音乐声音,说话声等,这就意味着声音信号在频域上具有稀疏特性,即大部分的能量分布在小范围的频段上,不同频段具有不同的能量比例。传统MUSIC算法对全频带的定位结果进行整时合,没有考虑信号的频域特性。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题,本发明的目的在于提供一种应用于多声源环境的定位方法。本发明使用传递函数,综合时间差和强度差信息来更加准确地估计方向矢量;在MUSIC算法的基础上,提出了一种频域加权的方式(FW-MUSIC),通过分析信号能量所在频带(频点),对不同的频带的定位结果,加入不同的权重系数,来实现定位结果的优化。

在MUSIC算法中,方向矢量的估计直接关系到定位结果的准确性。传统的MUSIC算法使用不同麦克风之间的时间差信息来估计方向矢量,而麦克风之间的时间差则运用麦克风的位置信息来估计。θ方向的方向矢量如下式表示:

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